DE3407407A1 - Sensor for measuring partial pressures of water vapour and variables related thereto - Google Patents

Sensor for measuring partial pressures of water vapour and variables related thereto

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Abstract

In a method for determining the relative humidity of a gas, two electrodes (2, 2'), which are at a distance from one another, are brought into contact with the surface of a thin layer of low-resistance sensor glass (1), which is applied to a high-resistance support glass (3); the ratio of the resistances of sensor glass (1) and support glass (3) should be sufficiently small. An electric direct or alternating current is applied to said electrodes (2, 2'), and the electrical resistance between the electrodes (2, 2') is measured. For the purpose of temperature compensation of the measured quantities, a temperature sensor is disposed close to the electrodes (2, 2'). <IMAGE>

Description

Beschreibungdescription

Die relative Feuchte in Luft und anderen Gasen ist eine wichtige Einflußgröße bei vielen chemischen und physikalischen Reaktionen. Die Erfassung dieser Größe ist daher von großer Bedeutung in der Forschung. Auch in der Klimatechnik, bei der Halbleiterfertigung, -in der UHV-Technologie und in vielen, weiteren Bereichen von Industrie und Wissenschaft ist die Messung und/oder Regelung der relativen Feuchte wichtig.The relative humidity in air and other gases is an important influencing factor in many chemical and physical reactions. The capture of this size is therefore of great importance in research. Also in air conditioning, with the Semiconductor manufacturing, in UHV technology and in many other areas of Industry and science is the measurement and / or regulation of relative humidity important.

Die folgenden verschiedenen Meßverfahren werden angewandt: a) Das Haar-Hygrometer ist sehr bekannt; es liefert meist hinreichend genaue Ergebnisse. Es muß jedoch immer senkrecht und gut sichtbar aufgestellt werden, und die Meßwerte können nur visuell abgelesen werden.The following different measurement methods are used: a) The Hair hygrometer is very well known; it usually provides sufficiently accurate results. However, it must always be set up vertically and clearly visible, and the measured values can only be read visually.

b) Ferner werden Taupunkt-Hygrometer eingesetzt, um Wasserdampf-Partialdrücke oder relative Feuchte zu messen. Dazu wird ein Docht mit der Lösung eines hygroskopischen Salzes getränkt und die elektrische Leitfähigkeit auf einen fest eingestellten Wert geregelt, indem die Temperatur des Dochtes verändert wird. Aus den elektrischen Regelgrößen kann auf den Taupunkt geschlossen werden.b) Furthermore, dew point hygrometers are used to measure water vapor partial pressures or to measure relative humidity. To do this, a wick with the solution of a hygroscopic Soaked in salt and the electrical conductivity to a fixed value regulated by changing the temperature of the wick. From the electric Controlled variables can be deduced from the dew point.

c) Ein weiteres Verfahren der Feuchtemessung basiert auf dem psychrometrischen Meßprinzip. Dabei wird die Temperaturdifferenz zwischen einem trockenen und einem feuchten Temperaturfühler gemessen. Durch Verdunstung von Wasser am feuchten, mit Gewebe ummantelten Temperaturfühler wird diesem Wärme entzogen. Zur Einstellung des Gleichgewichts und damit eines korrektes Mcßwcrtc; ItlUß der feuchte Temperaturfühler mit hoher Luftyeschwindii! ()2,5 m/sec) umströmt werden.c) Another method of moisture measurement is based on the psychrometric Measuring principle. The temperature difference between a dry and a wet temperature sensor measured. By evaporation of water on the moist, with This heat is withdrawn from the fabric-sheathed temperature sensor. To recruitment the equilibrium and thus a correct Mcßwcrtc; ItlUß the moist temperature sensor with high air speed! () 2.5 m / sec).

d) Ein anderes Meßprinzip beruht auf der Anderung der Kapazität eines als Sensor ausgebildeten Kondensators mit der relativen Feuchte. Diese Sensoren arbeiten im Bereich von 1 - 96 % r.F.; sie sind noch nicht lange auf dem Markt.d) Another measuring principle is based on the change in the capacitance of a designed as a sensor capacitor with the relative humidity. These sensors work in the range of 1 - 96% r.h. .; they haven't been on the market long.

Die Nachteile der herkömmlichen Meßverfahren und -instrumente sind folgende: a) Das Haar-Hygrometer liefert keine elektrische Meßgröße. The disadvantages of conventional measurement methods and instruments are the following: a) The hair hygrometer does not provide any electrical measurement.

Es kann deshalb nicht in der elektronischen Datenerfassung oder zur Regelung anderer physikalischer Größen eingesetzt werden. Durch ihre mechanische Empfindlichkeit ist der Einsatz dieser Hygrometer stark eingeschränkt. It can therefore not be used in electronic data acquisition or for Control of other physical quantities can be used. By their mechanical Sensitivity, the use of these hygrometers is severely limited.

b) Die Taupunkt-Hygrometer sind aufwendig in der Wartung und erfordern geschultes Bedienungspersonal. Die Auswertelektronik ist aufwendig.b) The dew point hygrometers are expensive to maintain and require trained operating personnel. The evaluation electronics are complex.

c) Das psychrometrische Prinzip erfordert eine aufwendige Fühlerkonstruktion (Gebläse für hohe Strömungsgeschwindigkeit) und sehr viel Meßgas. Die Temperaturerniedrigung am Meßfühler ist nicht nur eine Funktion der relativen Feuchte, sondern auch der Temperatur und des Luftdruckes.c) The psychrometric principle requires a complex sensor construction (Fan for high flow speed) and a lot of sample gas. The temperature decrease on the sensor is not only a function of the relative humidity, but also of the Temperature and air pressure.

d) Das auf der Kapazitätsänderung eines Kondensators beruhende Meßprinzip erfordert lange Einstellzeiten und eine aufwendige Auswertelektronik.d) The measuring principle based on the change in capacitance of a capacitor requires long setting times and complex evaluation electronics.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Feuchte-Sensor, der sämtliche nachfolgenden Merkmale aufweist: 1 - Unkomplizierter Aufbau; preiswert; 2 - Als Funktion der relativen Feuchte und der Temperatur entsteht ein elektrisches Signal; 3 - Chemische und mechanische Widerstandsfestigkeit; 4 - Großer Meßbereich bezüglich der relativen Feuchte; 5 - Großer Temperaturbereich des Einsatzes; 6 - Kurze Einstellzeit; 7 - Sensortemperatur gleich Temperatur des Meßmediums; 8 - Leichte Handhabung; 9 - Begnügt sich mit einfacher Auswertelektronik; 10 - Vielzahl möglicher Bauformen.The aim of the present invention is a humidity sensor that all has the following features: 1 - uncomplicated structure; inexpensive; 2 - As a function of the relative humidity and the temperature, an electrical one is created Signal; 3 - chemical and mechanical resistance; 4 - Large measuring range regarding the relative humidity; 5 - Wide temperature range of the insert; 6 - Short response time; 7 - sensor temperature equals temperature of the measuring medium; 8 - Light Handling; 9 - Is satisfied with simple evaluation electronics; 10 - variety of possible Designs.

Dieses Ziel wird mit einem Feuchte-Sensor gemäß den Patentansprüchen erreicht. Dem Meßprinzip liegt eine einfache Widerstandsmessung zugrunde, wobei ausgenutzt wird, daß sich der elektrische Oberflächenwiderstand bestimmter Gläser mit dem Feuchtegehalt der umgebenden Luft ändert.This goal is achieved with a humidity sensor according to the claims achieved. The measuring principle is based on a simple resistance measurement, where the fact that the electrical surface resistance of certain glasses is used is exploited changes with the moisture content of the surrounding air.

Bei dem erfindungsgemäßen Feuchte-Sensor wird ein dünner Film aus einem niederohmigen Sensorglas mit Metallelektroden kontaktiert. Der zwischen den Metallelektroden gemessene Widerstand ist ein Maß für die relative Feuchte, wenn die angelegte Gleich- oder Wechselspannung einen Minimalwert überschreitet. Voraussetzung ist, daß der von der Feuchte abhängige Oberflächenwiderstand des Sensorglases klein ist im Vergleich zum Volumenwiderstand des Glases, was durch geeignet gewählte Geometrie des Sensorteils bewerkstelligt werden kann.In the case of the humidity sensor according to the invention, a thin film is made contacted a low-resistance sensor glass with metal electrodes. The one between the Resistance measured by metal electrodes is a measure of the relative humidity when the applied DC or AC voltage exceeds a minimum value. pre-condition is that of the damp dependent surface resistance of the Sensor glass is small compared to the volume resistance of the glass, which is through suitably selected geometry of the sensor part can be achieved.

Einfacher ist es jedoch - und dies stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar - den dünnen Film aus niederohmigem Sensorglas auf ein hochohmiges Trägerglas aufzubringen, wobei das Verhältnis der Widerstände von Sensorglas und Trägerglas hjnreichend klein sein soll.However, it is simpler - and this is a preferred embodiment of the invention represent - the thin film of low-resistance sensor glass on a high-resistance one Apply carrier glass, the ratio of the resistances of sensor glass and Carrier glass should be sufficiently small.

Die Temperaturkompensation von Grundwiderstand und Widerstandsänderung durch Feuchte erfolgt durch einen eingebauten Temperaturfühler (Pt 1005L, NTC, etc.), der in der Nähe der Elektroden angebracht ist. Durch Messung von Temperatur und Widerstand des Sensors kann auf den Wasserdampf-Partialdruck, die relative Feuchte und den Taupunkt geschlossen werden.The temperature compensation of basic resistance and change in resistance due to humidity is carried out by a built-in temperature sensor (Pt 1005L, NTC, etc.), attached near the electrodes. By measuring temperature and Resistance of the sensor can be based on the water vapor partial pressure, the relative humidity and close the dew point.

Die Empfindlichkeit des Feuchtesensors hängt im wesentlichen von Verhältnis des Oberflächenwiderstandes zum Volumenwiderstand, von der Temperatur und der Art und Vorbehandlung des Sensorglases ab. Im Bereich von 0 bis 100 % r.F. kann sich der Sensorwiderstand bis zu einem Faktor 10.000 ändern.The sensitivity of the humidity sensor essentially depends on the ratio the surface resistance to the volume resistance, the temperature and the type and pretreatment of the sensor glass. In the range from 0 to 100% r.h. can change the sensor resistance up to a factor of 10,000.

Der Grundwiderstand bei 0 % r.F. wird durch die Temperatur, die Art und Geometrie des Sensorglases und die Geometrie der Metallelektroden bestimmt.The basic resistance at 0% r.h. is determined by the temperature, the type and the geometry of the sensor glass and the geometry of the metal electrodes are determined.

Als Elektrodenmaterial kann anstelle von Metall auch ein anderes Material verwendet werden, welches gute elektrische Leitfähigkeit besitzt und sich mit der Oberfläche des Sensorglases gut verbinden läßt.Instead of metal, another material can also be used as the electrode material be used, which has good electrical conductivity and with the Can connect the surface of the sensor glass well.

Mit dem erfindungsgemäßen Feuchte-Sensor ist es auch möglich, in (organischen) Flüssigkeiten mit genügend hohem Eigenwiderstand den Wassergehalt innerhalb bestimmter Grenzen zu messen.With the humidity sensor according to the invention, it is also possible in (organic) Liquids with a sufficiently high inherent resistance have the water content within certain Measure limits.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.The invention is explained below with the aid of several exemplary embodiments explained in more detail, which are shown in the drawing.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform mit Trägerglas im Schnitt; Figur 2 die gleiche Ausführungsform in Draufsicht.FIG. 1 shows an embodiment with carrier glass in section; figure 2 shows the same embodiment in plan view.

Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform mit Trägerglas in Draufsicht.Figure 3 shows another embodiment with carrier glass in plan view.

Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsformen ohne Trägerglas im Schnitt.Figures 4 and 5 show two embodiments without carrier glass on average.

Bei dem in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Feuchtesensor ist ein dünner Film aus niederohmigem Sensorglas 1, einem Glas mit hohem Alkaligehalt, auf ein Rundbodenglas aus hochohmigem Trägerglas 3 aufgeschmolzen. Zwei Elektroden (Platindrähte) 2 und 2' sind durch die Wandung des Trägerglases 3 nach außen geführt und auf die Oberfläche des Sensorglases 1 aufgeschmolzen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 sind diese Elektroden parallel geführt.In the case of the humidity sensor shown in FIGS. 1 and 2, a thinner one is used Film made of low-resistance sensor glass 1, a glass with a high alkali content, on a Round bottom glass made of high-resistance carrier glass 3 melted on. Two electrodes (platinum wires) 2 and 2 'are passed through the wall of the carrier glass 3 to the outside and onto the Surface of the sensor glass 1 melted. In the embodiment according to FIG. 1 and 2, these electrodes are run in parallel.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die Elektroden 2, 2' mäanderförmig auf die Oberfläche des Sensorglases 1 aufgebracht.In the embodiment according to FIG. 3, the electrodes 2, 2 'are meander-shaped applied to the surface of the sensor glass 1.

Die Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und Fig. 5 unterscheiden sich wesentlich von den Ausführungsformen gemäß Fig. 1, 2 und 3. Bei dem Feuchte-Sensor gemäß Fig. 4 ragen zwei Elektroden 2, 2' aus einem Rundbodenglas 4 heraus. Ein dünner Film aus Sensorglas 1 ist zwischen diesen beiden Elektroden 2, 2 bespannt.The embodiments according to FIGS. 4 and 5 differ significantly of the embodiments according to FIGS. 1, 2 and 3. In the case of the humidity sensor according to FIG. 4, two electrodes 2, 2 ′ protrude from a round bottom glass 4. A thin film made of sensor glass 1 is stretched between these two electrodes 2, 2.

Bei dem Feuchte-Sensor gemäß Figur 5 ist das Sensorglas 1 in Form einer dünnen Glasfaser um die Elektroden 2, 2' gewickelt.In the case of the humidity sensor according to FIG. 5, the sensor glass 1 is in shape a thin glass fiber wound around the electrodes 2, 2 '.

Da der Oberflächenwiderstand des Sensorglases bei niedrigen relativen Feuchten besonders hoch ist, wird die Empfindlichkeit des Feuchte-Sensors bei niedrigen relativen Feuchten besonders durch ein kleines Verhältnis von Volumenwiderstand zu Oberflächenwiderstand ungünstig beeinflußt.Since the surface resistance of the sensor glass is low relative Humidity is particularly high, the sensitivity of the humidity sensor is low relative humidity especially due to a small ratio of volume resistance to surface resistance adversely affected.

Die Bauform des erfindungsgemäßen Feuchte-Sensors bestimmt daher dessen Einsatzbereich.The design of the humidity sensor according to the invention therefore determines it Area of application.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Feuchte-Sensor zeigt im Bereich von 0 bis 100 % r.F. eine Widerstandsänderung von etwa drei Zehnerpotenzen. In Richtung auf niedrige ( (10 %) relative Feuchten hin wird die Empfindlichkeit des Sensors durch den Grundwiderstand herabgesetzt. Durch geeignete Geometrie, Vorbehandlung und Auswahl von Sensor-und/oder Trägerglas kann ein Empfindlichkeitsbereich von 104 bezüglich der Widerstandsänderung entsprechend einer relativen Feuchte von 0 bis 100 % erzielt werden.The humidity sensor shown in Figures 1 and 2 shows in the area from 0 to 100% r.h. a change in resistance of about three powers of ten. In the direction at low ((10%) relative humidity the sensitivity of the sensor reduced by the basic resistance. Through suitable geometry, pretreatment and selection of sensor and / or carrier glass can have a sensitivity range of 104 with regard to the change in resistance corresponding to a relative humidity of 0 up to 100% can be achieved.

Claims (7)

Sensor zur Messung von Wasserdampfpartialdrücken und damit zusammenhängenden Größen Patentansprüche: I.'i Verfahren zur Bestimmung der relativen Feuchte eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander beabstandete Elektroden mit der Oberfläche einer Schicht aus einem niederohmigen Glas kontaktiert werden, daß an diese Elektroden.eine elektrische Gleich- oder Wechselspannung angelegt wird, und daß der elektrische Widerstand zwischen diesen Elektroden gemessen wird. Sensor for measuring water vapor partial pressures and related Sizes claims: I.'i method for determining the relative humidity of a Gas, characterized in that two spaced electrodes with the surface of a layer of a low-resistance glass are contacted that an electrical direct or alternating voltage is applied to these electrodes, and that the electrical resistance between these electrodes is measured. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, bestehend aus einem dünnen Film aus einem niederohmigen Sensorglas (1) und aus zwei Elektroden (2, 2'), welche die Oberfläche dieses dünnen Films im Abstand voneinander kontaktieren.2. Device for performing the method according to claim 1, consisting from a thin film made from a low-resistance sensor glass (1) and from two electrodes (2, 2 '), which contact the surface of this thin film at a distance from each other. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Film aus niederohmigem Sensorglas (1) auf ein hochohmiges Trägerglas (3) aufgebracht ist, wobei das Verhältnis der Widerstaände von Sensorglas und Trägerglas hinreichend klein sein soll.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that this Film made of low-resistance sensor glass (1) is applied to a high-resistance carrier glass (3) is, whereby the ratio of the resistances of the sensor glass and the carrier glass is sufficient should be small. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorglas (1) in Gestalt eines dünnen Glasfilms zwischen zwei parallele, abstehende Elektrodendrähte (2, 2') gespannt ist.4. Apparatus according to claim 2, characterized in that the sensor glass (1) in the form of a thin glass film between two parallel, protruding electrode wires (2, 2 ') is stretched. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorglas (1) in Gestalt von dünnen Glasfasern um zwei parallele, abstehende Elektrodendrähte (2, 2') gewickelt ist.5. Apparatus according to claim 2, characterized in that the sensor glass (1) in the form of thin glass fibers around two parallel, protruding electrode wires (2, 2 ') is wound. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler in der Nähe der Elektroden angebracht ist, um die Temperaturabhängigkeit der Meßgrößen zu kompensieren.6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that that a temperature sensor is attached near the electrodes to measure the temperature dependence to compensate for the measured variables. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorglas aus einem alkalireichen Glas besteht.7. Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that that the sensor glass consists of an alkali-rich glass.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3840962A1 (en) * 1988-12-05 1990-06-07 Hellige Gmbh Ion-sensitive electrode and method for compensating for the temperature dependence in such electrodes
RU2607825C2 (en) * 2014-09-29 2017-01-20 Павел Евгеньевич Александров Solid-state electrochemical sensor for determining water vapors partial pressures in randomly selected gas mixture

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